学习电工技术应从理论开始,本贴分享交流电的周期、频率、瞬时值、有效值、相位、相位差相关知识。交流电是指方向和大小都随时间做周期变化的电压或电流。交流电类型很多,其中最常见的是正弦交流电,因此这里就以正弦交流电为例来介绍交流电。
1、正弦交流电
正弦交流电符号、电路和波形如图1所示。下面以图1b所示的交流电路来说明图1c所示正弦交流电波形。
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①在0-t1期间:交流电源e的电压极性是上正下负,电流I的方向是:交流电源上正→电阻R→交流电源下负,并且电流I逐渐增大,电流逐渐增大在图1c中用波形逐渐上升表示,t1时刻电流达到最大值。
②在t1-t2期间:交流电源e的电压极性仍是上正下负,电流I的方向仍是:交流电源上正→电阻R→交流电源下负,并且电流I逐渐减小,电流逐渐减小在图1c中用波形逐渐下降表示,t2时刻电流为。
③在t2-t3期间:交流电源e的电压极性仍是上负下正,电流I的方向也发生改变,图1c中的交流电波形由t轴上方转到下方表示电流方向发生改变,电流I的方向是:交流电源下正→电阻R→交流电源上负,电流反方向逐渐增大,t3时刻反方向的电流达到最大值。
④在t3-t4期间:交流电源e的电压极性仍是上负下正,电流I仍是反方向,电流的方向是:交流电源下正→电阻R→交流电眼上负,电流反方向逐渐减少,t4时刻电流减小到0。
t4时刻以后,交流电源的电流大小和方向变化与0-t4期间变化相同。实际上,交流电源不但电流大小和方向按正弦波变化,其电压大小和方向变化也像电流一样按正弦波变化。
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2、周期和频率
周期和频率是交流电最常用的两个概念,下面图2所示的正弦交流电波图形来说明。
①周期:从图2可以看出,交流电变化过程是不断重复的,交流电重复变化一次所需的时间称为周期,周期用T表示,单位是秒(s)。图2所示交流电的周期为T=0.02s,说明该交流电每隔0.02s就会重复变化一次。
②频率 交流电在每秒钟内重复变化的次数称为频率,频率用f表示,它是周期的倒数,即f=1/T,频率的单位是Hz。图2所示交流电的周期为T=0.02s,那么它的频率为50Hz,说明在1s内交流电能重复0-t4这个过程50次,交流电变化越快,变化一次所需要的时间越短,周期就越短,频率越高。
3、瞬时值和有效值
①瞬时值
交流电的大小和方向是不断变化的,交流电在某一时刻的值称为交流电在该时刻的瞬时值。以图2所示的交流电压为例,它在t1时刻的瞬时值为2202V(约为311V),该值为最大瞬时值;在t2时刻瞬时值为0V,该值为最小瞬时值。
②有效值
交流电的大小和方向是不断变化的,这给电路计算和测量带来不便,为此引入有效值的概念,以图3所示电路来说明有效值的含义。
图3所示两个电路中的电热丝完全一样,现分别给电热丝通交流电和直流电,如果两电路通电时间相同,并且电热丝发出热量也相同,对电热丝来说,这里的交流电和直流电也等效的,那么久将图3b中直流电的电压值或电流值称为图3a中交流电的有效电压值或有效电流值。
交流市电电压为220V指的是有效值,其含义是虽然交流电压时刻变化,但它的效果与220V直流电视一样的。没有特别说明,交流电的大小通常是指有效值,测量仪表的测量值一般也是指有效值。正弦交流电的有效值与瞬时最大值的关系是:最大瞬时值=√2×有效值。例如交流市电的有效电压值为220V,它的最大瞬时电压值=√2×220=311V。
4、交流电的相位与相位差
正弦交流电的电压或电流值变化规律和正弦波一样,为了分析方便,将正弦交流电波形放在图4所示的坐标中。
图4中画出了交流电的一个周期,一个周期的角度为2π,一个周期的时间为T=0.02s。从图中可以看出,在不同的时刻,交流电压所处的角度不同,如在t=0时刻的角度为0°,在t=0.005s时刻的角度为π/2(90°),在t=0.01s时刻的角度为π(180°)。
交流电在某时刻的角度称为交流电在该时刻的相位。在图4所示的交流电在t=0.005s时刻的相位为π/2(90°),在t=0.01s时刻的相位为π。交流电在t=0时刻的角度称为交流电的初相位,图4中的交流电初相位为0°。
对于初相位为0°的交流电,可用公式表示:U=Um×sinωt,公式中U为交流电压的瞬时值,Um为交流电压的最大值,ωt为交流电压的相位,其中ω称为交流电的角频率,ω=2π/T=2πf。利用公式可以求出交流电压在任一时刻的相位及该时刻的电压值。
例如:已知某交流电压的周期T=0.02s,最大电压值Um=10V,初相位为0°,求该交流电压在t=0.015s时刻的相位及电压。
先求出交流电压在t=0.015s时刻的相位ωt:ωt=2π/T×t=3/2π,再求交流电压在t=0.015s时刻的电压值U:U=Um×sinωt=-10V。
有些交流电压在t=0时刻的相位并不为0°(即初相位不为0°),如图5所示。在t=0时刻,U2的初相位为0°,它可以用U2=Um×sinωt表示;U1的初相位不为0°,而为φ。对于初相位不为0°的交流电压可用公式表示:U1=Um×sin(ωt+φ),公式中Um为交流电的最大值;(ωt+φ)为交流电的相位;φ为交流电的初相位(即t=0时的相位)。 图5中U1的初相位φ=π/2,它的表达式为U1=Um×sin(ωt+π/2),根据这个表达式可以求出U1在任何时刻的相位和电压值。
②相位差
相位差是两个同频率交流电的相位之差。如图6a、图6b所示,两个同频率的交流电流i1、i2分别从两条线路流向A点,在同一时刻,达到A点的i1、i2交流电的相位并不相同,在t=0时刻,i1的相位为π/2,而i2相位为0°,在t=0.01s时刻,i1的相位为3π/2,而i2相位为π,两个电流的相位差为(π/2-0)=π/2或(3π/2-π)=π/2,即i1、i2的相位差始终是π/2。在图6b中若将i1的前一段补偿出来(虚线所示),也可以看出i1、i2的相位差是π/2,并且i1超前i2 π/2(90°)。
两个交流电存在相位差实际上就是两个交流电变化存在着时间差。例如图6b中的两个交流电,在t=0时刻,i1电流的值为5mA;也就是说,i2电流电流的值为0;而到t=0.005s时,i1电流的值变为0,i2电流的值变为5mA;也就是说,i2电流变化总是滞后i1电流的变化。
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